Modbus 协议是由 Modicon 公司（现在的施耐德电气 Schneider Electric ）于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而推出，主要建立在物理串口、以太网 TCP/IP 层之上，目前已经成为工业领域通信协议的业界标准，广泛应用在工业电子设备之间的互联。
Modbus技术文档
1 网络模型
Modbus 是OSI模型第 7 层上的应用层报文传输协议，它在连接至不同类型总线或网络的设备之间提供客户机/服务器通信。
Modbus 是一个请求/应答协议，并且提供功能码规定的服务。
2 Modbus 协议描述
Modbus 主要有 4 种通信模式：
| Modbus 协议类型 | 描述 |
|---|---|
| RTU 模式（串口） | 二进制表示数据，采用循环冗余校验的校验和 |
| ASCII 模式（串口） | 采用人类可读的、冗长的表示输入，采用纵向冗余校验的校验和 |
| TCP 模式（网口） | 基于TCP通信，与Modbus RTU相似，取消循环冗余校验的校验和 |
| UDP 模式（网口） | 基于UDP通信，与Modbus RTU相似，取消循环冗余校验的校验和 |
协议格式：
| Modbus 协议类型 | 协议格式 |
|---|---|
| Modbus RTU | [地址码] [功能码] [数据] [CRC校验码] |
| Modbus ASCII | [起始冒号] [地址码] [功能码] [数据] [LRC校验码] [回车换行] |
| Modbus TCP | [事务处理标识] [协议标识] [长度] [单元标识符] [功能码] [数据] |
| Modbus UDP | [事务处理标识] [协议标识] [长度] [单元标识符] [功能码] [数据] |
Modbus 协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元（PDU）。
PDU = [功能码] [数据] ，功能码为1字节，数据长度不定，由具体功能决定。
标准的Modbus协议物理层接口有RS232、RS422、RS485和以太网接口，采用master/slave方式通信。
modbus-RTU （Remote Terminal Unit 远程终端单元）是数据在串口RS485等链路上传输的。
modbus-TCP 是使用以太网TCP网络进行通信的，使用502端口，客户端和服务端模式。
Modbus-RTU 数据格式
modbus-RTU 数据包格式=PDU+CRC
PDU由功能码+数据组成。功能码为1字节，数据长度不定，由具体功能决定。
CRC为校验码，为2个字节。
Modbus-TCP 数据格式
modbus-TCP 数据帧格式=MBAP+PDU
MBAP为报文头，长度为7字节，由事务处理标识+协议标识符+长度+单元标识符组成：
| 示例内容 | 长度 | 描述 | |
|---|---|---|---|
| 事务处理标识 | 00 00 | 2字节 | 可以理解为报文的序列号，一般每次通信之后就要加1 |
| 协议标识符 | 00 00 | 2字节 | 00 00表示ModbusTCP协议 |
| 长度 | 00 06 | 2字节 | 表示接下来的数据长度，单位为字节 |
| 单元标识符 | 01 | 1字节 | 串行链路或其它总线上连接的远程从站的识别码 |
3 数据模型
Modbus 协议中一个重要的概念是寄存器，所有的数据均存放于寄存器中。最初Modbus协议借鉴了PLC中寄存器的含义，但是随着Modbus协议的广泛应用，寄存器的概念进一步泛化，不再是指具体的物理寄存器，也可能是一块内存区域。Modbus寄存器根据存放的数据类型以及各自读写特性，将寄存器分为4个部分，这4个部分可以连续也可以不连续，由开发者决定。
| 寄存器种类 | 数据类型 | 访问类型 | 功能码 | 含义 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 线圈状态（Coil Status） | 位 | 读写 | 0x01 0x05 0x0F | PLC的输出位，开关量 | 0x |
| 离散输入状态（Input Status） | 位 | 只读 | 0x02 | PLC的输入位，开关量 | 1x |
| 输入寄存器（Input Register） | 字 | 只读 | 0x04 | PLC中只能从模拟量输入端改变的寄存器 | 4x |
| 保持寄存器（Holding Register） | 字 | 读写 | 0x03 0x06 0x10 | PLC中用于输出模拟量信号的寄存器 | 3x |
4 功能码
Modbus 功能码分三类：公共功能码、用户定义功能码、保留功能码。
Modbus 的常用公共功能码有：
| 功能码 | 名称 | 英文名 | 位操作/字操作 | 操作数量 |
|---|---|---|---|---|
| 0x01 | 读线圈状态 | READ COIL STATUS | 位操作 | 单个或多个 |
| 0x02 | 读离散输入状态 | READ INPUT STATUS | 位操作 | 单个或多个 |
| 0x03 | 读保持寄存器 | READ HOLDING REGISTER | 字操作 | 单个或多个 |
| 0x04 | 读输入寄存器 | READ INPUT REGISTER | 字操作 | 单个或多个 |
| 0x05 | 写单个线圈状态 | WRITE SINGLE COIL | 位操作 | 单个 |
| 0x06 | 写单个保持寄存器 | WRITE SINGLE REGISTER | 字操作 | 单个 |
| 0x0F | 写多个线圈 | WRITE MULTIPLE COIL | 位操作 | 多个 |
| 0x10 | 写多个保持寄存器 | WRITE MULTIPLE REGISTER | 字操作 | 多个 |
字节序及数据类型
字节序分类：
| 存储模式 | data_fromat前缀 | 说明 |
|---|---|---|
| 大端模式 | > | 数据的高字节保存在寄存器的低地址中，数据的低字节保存在寄存器的高地址中 |
| 小端模式 | < | 数据的高字节保存在寄存器的高地址中，而数据的低字节保存在寄存器的低地址中 |
Modbus采用大端字节序进行报文传输，字节序不正确则对多字节数据无法解析和组拼。
每个寄存器有两个字节，第一个字节包括高位比特，并且第二个字节包括低位比特。
Modbus 每个寄存器地址是16位的，常用数据类型及长度：
| Format | C Type | Python type | 字节数 | PLC 寄存器数量 | 大端模式 |
|---|---|---|---|---|---|
h | short | integer | 2 | 1 | AB |
H | unsigned short | integer | 2 | 1 | AB |
i | int | integer | 2 | 1 | AB |
I | unsigned int | integer | 2 | 1 | AB |
l | long | long | 4 | 2 | AB CD |
L | unsigned long | integer | 4 | 2 | AB CD |
f | float | float | 4 | 2 | AB CD |
d | double | float | 8 | 4 | AB CD EF GH |
1个字节是8个比特，即：1byte = 8bit
Modbus 以16位为一个字进行编址，寄存器是16位的，可以存放两个字节 ，即1寄存器 = 2字节
data_format：对读写数据进行格式化，示例：
>f 中的 > 表示大端模式，f表示1个float，共有4个字节，占用2个寄存器。
>dd 中的 > 表示大端模式，dd表示两个double，共有16个字节，占用8个寄存器。
5 Python示例
Java 的 modbus4j、Python 的 modbus_tk 等第三方库对 modbus 做了很好的封装，开发者通常不需要关注请求、响应、错误的报文解析，第三方库已经根据功能码、数据类型、数据数量等对报文进行了解析。
下面是 Python3 的 modbus 使用示例：
import modbus_tk.modbus_tcp as mtimport modbus_tk.defines as cstif __name__ == '__main__':master = mt.TcpMaster('127.0.0.1', 502)master.set_timeout(5)# 参数说明# slave: Modbus从站地址. from 1 to 247. 0为广播所有的slave# function_code：功能码# starting_address：寄存器起始地址# quantity_of_x：寄存器读写的数量，写寄存器时数量可为 0，读寄存器时数量至少为 1; 一个寄存器=2字节, 1字节=8位# output_value：输出内容，读操作无效，写操作是一个整数或可迭代的list值：1 / [1,1,1,0,0,1] / xrange(12)# data_format：对数据进行格式化 >表示大端模式, <表示小端模式, H表示unsigned short无符号整形(2字节), h表示short有符号整型(2字节), l表示long长整型(4字节), f表示float浮点型(4字节), d表示double双精度浮点型(8字节)# expected_lengthtry:'''寄存器类型：线圈状态访问类型：读写功能码：0x01、0x05、0x0F''''''0x05功能码：写线圈状态为 开ON(0xff00)/关OFF(0), output_value不为0时都会置为0xff00ON的output_value可以设置为 0xff00、True、非0值； OFF的output_value 可以设置为 0x0000、False、0返回结果：tuple(地址, 值) ，写成功：如写入开则返回0xff00的十进制格式65280，写入关则返回0x0000的十进制格式0'''''' 0x05功能码: 写单个线圈状态 ON '''single_coil_value = master.execute(slave=1, function_code=cst.WRITE_SINGLE_COIL, starting_address=0, output_value=1) # 写单个线圈状态为 ONprint('0x05 WRITE_SIGNLE_COIL: ', single_coil_value)''' 0x01功能码：读线圈状态 '''coils_value = master.execute(slave=1, function_code=cst.READ_COILS, starting_address=0, quantity_of_x=1)# 读线圈状态print('0x01 READ_COILS: ', coils_value)''' 0x05功能码: 写单个线圈状态 OFF '''single_coil_value = master.execute(slave=1, function_code=cst.WRITE_SINGLE_COIL, starting_address=1, output_value=0)# 写单个线圈状态为 OFFprint('0x05 WRITE_SIGNLE_COIL: ', single_coil_value)coils_value = master.execute(slave=1, function_code=cst.READ_COILS, starting_address=1, quantity_of_x=1)# 读线圈状态print('0x01 READ_COILS: ', coils_value)''' 0x0F功能码：写多个线圈状态 '''multiple_coils_value = master.execute(slave=1, function_code=cst.WRITE_MULTIPLE_COILS, starting_address=2, quantity_of_x=4, output_value=[1, 1, 1, 1])# 写多个线圈print('0x0F WRITE_COILS_REGISTER: ', multiple_coils_value)coils_value = master.execute(slave=1, function_code=cst.READ_COILS, starting_address=2, quantity_of_x=4)# 读线圈状态print('0x01 READ_COILS: ', coils_value)'''寄存器类型：离散输入状态访问类型：只读功能码：0x02'''# 0x02功能码：读离散输入状态discrete_value = master.execute(slave=1, function_code=cst.READ_DISCRETE_INPUTS, starting_address=0, quantity_of_x=5)print('0x02 READ_DISCRETE_INPUTS: ', discrete_value)'''寄存器类型：输入寄存器访问类型：只读功能码：0x04'''# 0x04功能码：读输入寄存器input_value = master.execute(slave=1, function_code=cst.READ_INPUT_REGISTERS, starting_address=0, quantity_of_x=5)print('0x04 READ_INPUT_REGISTERS: ', input_value)'''寄存器类型：保持寄存器访问类型：读写功能码：0x03、0x06、0x10'''# 0x06功能码：写单个保持寄存器single_register_value = master.execute(slave=1, function_code=cst.WRITE_SINGLE_REGISTER, starting_address=0, output_value=666)print('0x06 WRITE_SINGLE_REGISTER: ', single_register_value)# 0x03功能码：读保持寄存器holding_value = master.execute(slave=1, function_code=cst.READ_HOLDING_REGISTERS, starting_address=0, quantity_of_x=1)print('0x03 READ_HOLDING_REGISTERS: ', holding_value)# 0x10功能码：写多个保持寄存器multiple_registers_value = master.execute(slave=1, function_code=cst.WRITE_MULTIPLE_REGISTERS, starting_address=1, quantity_of_x=3, output_value=[777, 777, 777])print('0x10 WRITE_MULTIPLE_REGISTERS: ', multiple_registers_value)holding_value = master.execute(slave=1, function_code=cst.READ_HOLDING_REGISTERS, starting_address=1, quantity_of_x=3)print('0x03 READ_HOLDING_REGISTERS: ', holding_value)# 数据类型# 写单个寄存器：无符号整数single_register_value = master.execute(slave=1, function_code=cst.WRITE_SINGLE_REGISTER, starting_address=0, output_value=4097)print('0x06 WRITE_SINGLE_REGISTER: ', single_register_value)# 写单个寄存器：有符号整数single_register_value = master.execute(slave=1, function_code=cst.WRITE_SINGLE_REGISTER, starting_address=1, output_value=-1234)print('0x06 WRITE_SINGLE_REGISTER: ', single_register_value)# 写多个寄存器：有符号整数 （根据列表长度来判读写入个数）multiple_registers_value = master.execute(slave=1, function_code=cst.WRITE_MULTIPLE_REGISTERS, starting_address=2, output_value=[1, -2], data_format='>hh')print('0x10 WRITE_MULTIPLE_REGISTERS: ', multiple_registers_value)# 读寄存器holding_value = master.execute(slave=1, function_code=cst.READ_HOLDING_REGISTERS, starting_address=0, quantity_of_x=4, data_format='>hhhh')print('0x03 READ_HOLDING_REGISTERS: ', holding_value)# 写多个寄存器: 浮点数float（float长度为4个字节，占用2个寄存器）# 起始地址为8的保持寄存器，操作寄存器个数为 4 ，一个浮点数float 占两个寄存器;# 写浮点数时一定要加 data_format 参数，两个ff 表示要写入两个浮点数，以此类推# 我这里模拟的是大端模式，具体可参考 struct 用法。和数据源保持一致即可。 表示大端multiple_registers_value = master.execute(slave=1, function_code=cst.WRITE_MULTIPLE_REGISTERS, starting_address=8, output_value=[1.0, -6.4], data_format='>ff')print('0x10 WRITE_MULTIPLE_REGISTERS: ', multiple_registers_value)# 读对应的 4个寄存器（2个float），指定数据格式holding_value = master.execute(slave=1, function_code=cst.READ_HOLDING_REGISTERS, starting_address=8, quantity_of_x=4, data_format='>ff')print('0x03 READ_HOLDING_REGISTERS: ', holding_value)# 写多个寄存器：长整型数据long（long长度为4字节，占用2个寄存器）multiple_registers_value = master.execute(slave=1, function_code=cst.WRITE_MULTIPLE_REGISTERS, starting_address=12, output_value=[111111, -222222], data_format='>ll')print('0x10 WRITE_MULTIPLE_REGISTERS: ', multiple_registers_value)# 读对应的 4个寄存器（2个double），指定数据格式holding_value = master.execute(slave=1, function_code=cst.READ_HOLDING_REGISTERS, starting_address=12, quantity_of_x=4, data_format='>ll')print('0x03 READ_HOLDING_REGISTERS: ', holding_value)# 写多个寄存器：双精度浮点数double（double长度为8个字节，占用4个寄存器）multiple_registers_value = master.execute(slave=1, function_code=cst.WRITE_MULTIPLE_REGISTERS, starting_address=16, output_value=[1, -6.4], data_format='>dd')print('0x10 WRITE_MULTIPLE_REGISTERS: ', multiple_registers_value)# 读对应的 4个寄存器（2个double），指定数据格式holding_value = master.execute(slave=1, function_code=cst.READ_HOLDING_REGISTERS, starting_address=16, quantity_of_x=8, data_format='>dd')print('0x03 READ_HOLDING_REGISTERS: ', holding_value)except Exception as e:print('error: %s' % e)